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• Juanfer Herrera

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UNIVERSIDAD SANTO TOMAS – BUCARAMANAGA Facultad de Ingeniería Mecatrónica Termofluidos (925705)

Nombre:_____________________________ Carnet:______________________________

Semestre: 2015-I

18/02/2015

TALLER DE ESTUDIO I 1) La presión atmosférica en una localidad determinada es 1 kgf/cm2 y la presión absoluta es 110.1_KPa. ¿El manómetro marca en KPa? a) b) c) d)

208.1 12 100.29 119.91

2) Se dispone de agua como vapor saturado a 200 KPa, a) b) c) d)

¿Su densidad es?

0.8857 m3/kg 1.129 m3/kg 1.129 kg/m3 0.8857 kg/m3

3) Un gas se comporta según el siguiente diagrama: ¿Determine el trabajo en el proceso 1-2-3-1 en BTU?

P (psi) 40

2

20

a) 108.0555 b) 3.7018 c) 20 d) 10.005

3

1 1

3

V (pie3)

4) Un gas encerrado en un conjunto cilindro – pistón – resorte sufre un proceso como el que se muestra en el gráfico: P (KPa) 2

180

Si el área del pistón es 0.2 m2, entonces la constante k del resorte en KN/m es: a) 8 b) 16 c) 80 d) 160

100 1 0.2

0.6 V (m3)

5) Aire como gas ideal está encerrado en un envase rígido a 100 KPa y 300 K ocupando un Volumen de 1 m3. La cantidad de calor en KJ que hay que extraer para que la temperatura sea de 100 K es: a) b) c) d)

164.7306 163.7306 165.7306 166.7306

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TALLER DE ESTUDIO I 6) Un dispositivo cilindro – pistón, como se muestra en la figura, contiene 0.3 kg de agua a 1 Mpa y 400 °C. Cuando el pistón llega a los topes el volumen ocupado por el agua es el 60% del volumen inicial. Se le extrae calor muy lentamente al sistema hasta que la presión del agua se reduce a la mitad. ¿La temperatura en K a la presión final es? a) b) c) d)

179.91 151.86 424.86 452.91 AGUA

7) En el problema anterior, el trabajo recibido por gas, en KJ es: a) b) c) d)

36.7908 122.636 183.954 55.1862

8) La Calidad en porcentaje, del estado final del agua en el problema anterior es: a) b) c) d)

50 48.92 4.892 5

9) Se dispone de un sistema cilindro pistón, que contiene gas Metano (PM = 16 lbm/lbmol) a 20psia y 600 °F, ocupando un volumen de 5_pie3. Se le suministra calor Isotérmicamente de forma que la energía interna en el proceso se mantiene por la relación u = Pv/2, donde P está en psi y V en pie3/lbm, hasta que la presión es de 14.7_psi. Tome Ru = 1545 lbf – Pie/lbmol.R. El trabajo en BTU entregado por el gas es: a) b) c) d)

- 30.7883 - 26.5 - 5.696 - 4.9049

10) El calor recibido, en BTU, en el problema anterior es: a) 30.7883 b) 26.5 c) 4.9049 d) 5.696 Resolver:

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TALLER DE ESTUDIO I PROBLEMA 1: Un conjunto cilindro – pistón contiene inicialmente 5 lbm de aire (R=0.069 Btu/ lbm °R y CV=0.171 Btu/ lbm °R) a 20 psi y 100°F. En este estado un resorte lineal (Kresorte=90 lbf /ft) toca el pistón pero no ejerce fuerza sobre él. El aire se calienta hasta que el volumen llega al doble. Si la masa del pitón es 1000 lbm, el área es 0.5_ft2, la gravedad g=30 ft/s2 y la Presión Atmosférica es 14.7 psi Determinar: a) Presión final en psi b) Trabajo total en Btu c) Transferencia de Calor en Btu PROBLEMA 2: Un dispositivo cilindro – pistón contiene al inicio 50 kg de agua a 3_MPa, sobrecalentado en 16.1 °C. El vapor pierde calor hacia los alrededores y el pistón baja y choca con un conjunto de topes; el enfriamiento continúa hasta que el cilindro contiene agua a 125 °C. Si el diámetro del pistón es 1 metro, para la figura mostrada determinar: a) La masa de líquido en todos los estados (3/20) b) Trabajo total en kJ (3/20) c) Calor transferido durante el proceso en kJ (4/20)

Aire

Agua

Problema No. 3 El conjunto pistón-cilindro mostrado en la figura contiene inicialmente 1.5 L de agua a 105°C con una calidad de 50 %. El cilindro está abierto a la atmósfera en su extremo superior y, al principio, el pistón descansa sobre los topes mostrados. El pistón tiene un diámetro de 90 mm y una masa de 45 kg. Se transfiere calor al agua hasta que el pistón alcanza al resorte lineal ubicado en la parte superior del cilindro, momento para el cual el volumen del agua ha aumentado hasta alcanzar los 2.0 L. La constante de rigidez del resorte es k = 10.5 kN/m. Se continúa suministrando calor hasta que el volumen del agua contenida en el cilindro es de 2.5 L. Determine: d) La presión y la temperatura del agua al final del proceso. e) El calor transferido desde el estado inicial hasta el momento en el cual el pistón alcanza al resorte, en kJ. f) La transferencia total de calor, en kJ. Problema No. 4 Un recipiente rígido y cerrado de 10 ft 3 de volumen contiene inicialmente aire a 280 °F y 450 psi. Después de transcurrido cierto tiempo, por transferencia de calor al ambiente el aire contenido en el recipiente se enfría hasta alcanzar una temperatura de 80 °F. Suponiendo calores específicos constantes, determine: a) La presión final del aire en el recipiente, en psi. (328,38 psi) b) El calor total transferido al ambiente, en Btu. (557,88 Btu) Tome para el aire cp = 0.240 Btu / lbm R; cv = 0.171 Btu / lbm R y R = 0.06855 Btu / lbm R

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TALLER DE ESTUDIO I Problema No. 5 El conjunto pistón-cilindro-resorte que se muestra en la figura contiene 0.5 kg de agua. El cilindro está abierto a la atmósfera en su extremo superior. Inicialmente el resorte no ejerce fuerza alguna sobre pistón y el agua ocupa un volumen de 30 L. El pistón tiene un diámetro de 147 mm y una masa de 41 kg. Se le transfiere calor al agua y, cuando el pistón llega justamente los topes mostrados, el volumen es de 140 L y la temperatura ha llegado a 500 °C. Continúa el proceso de transferencia de calor hasta que la presión del agua llega a 2 MPa. a) Determine la temperatura final del agua, en °C. (942,4 °C) b) Represente todos los procesos e identifique los estados en los diagramas T-v y P-v. c) Calcule el calor total transferido durante el proceso, en kJ. (1778 kJ) d) Determine la constante de rigidez k del resorte, en kN/m. (3 kN/m) Considere una presión atmosférica Po = 101.325 kPa y una aceleración de la gravedad g = 9.8 m/s2.

Problema No. 6 Dos Recipientes rígidos se conectan por medio de una válvula que inicialmente está cerrada. El recipiente A contiene 150 ft3 de aire a 75 psia y 140 °F. El recipiente B contiene 20 lbm de aire a 40 psia y 200°F. Se abre la válvula, el aire fluye del recipiente A al recipiente B y finalmente ambos recipientes llegan al mismo estado cuando el sistema alcanza el equilibrio térmico con los alrededores a 78 °F.

Aire

Aire

Asumiendo calores específicos constantes, tomando para el aire cv = 0.171 Btu/lbm R y R = 0.06855 Btu/lbm R, determine: a)

La Presión final en psia (51,697 psia)

b) La transferencia de calor durante el proceso en KJ. (-953,98 Btu = -1006,5 kJ)

Problema No. 7 600 kJ/min

2.5 kg/s 300 °C 1.2 kg/s

Cámara de Mezcla a 200 kPa

Agua Líquida a 200 kPa y 20 °C se calienta en una cámara y se mezcla con vapor a 200_kPa y 300 °C. El agua líquida entra a la cámara de mezcla a una tasa de 2.5 kg/s, y se estima que la cámara libera calor en el aire de los alrededores a 25 °C a razón de 600 kJ/min. Si la mezcla sale de la cámara a 42 °C , determine: a) La tasa de flujo másico a la salida y b) la Temperatura a la salida.

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TALLER DE ESTUDIO I

4 MW Problema No. 8 Turbina de Vapor

8 MPa

50 kPa Vapor Saturado

En una turbina se expande vapor estable a una relación de 25.000 kg/h, ingresa a 8 MPa y 450 °C y sale a 50 kPa como vapor saturado. Si la potencia generada por la turbina es de 4 MW, determine la transferencia de calor.

Problema No. 9 Un Difusor adiabático se emplea para reducir la velocidad de una corriente de aire de 780 a 120 ft/s las condiciones de entrada son 15 psia y 560 °F. Determine el área de salida, en pulgadas cuadradas, si el gasto másico es 15 lb/s y la presión final es 17.7 psia.

Problema No. 10 En la figura se muestra el diagrama de un compresor de aire adiabático. Al compresor entra aire del ambiente a 27 °C y 100 kPa, a una tasa de 3.8 kg/s, para salir a una presión de 700 kPa. Al salir del compresor el aire entra a un enfriador adiabático, por el cual circula agua fría que entra a 20°C y 400 kPa; con un flujo volumétrico de 24 litros/segundo. Si la temperatura del agua a la salida del enfriador aumenta en 10°C y el aire sale a temperatura ambiente, y considerando que las presiones tanto del aire como del agua al pasar por el enfriador no varían, determinar: a) El flujo másico del agua, en Kg/s. (23,96 kg/s) b) Temperatura a la salida del Compresor, en °C. c) La potencia requerida por el compresor, en H.P. Tome para el aire cp = 1.005 kJ/kg K, cv = 0.718 kJ/kg K, R = 0.287 kJ/kg K y k = 1.4.

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